BYJ90/70-DQ2-QJ1獨立式氣井帶壓作業機設計與應用

張曉軍

（大慶石油管理局有限公司松原裝備制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著油氣田開發的進一步深入，氣井數量的逐年增加，每年有上百口氣井由于節流器失效、井底積液、管柱腐蝕、井口刺漏等原因進行修井。常規作業一般都采用高密度壓井液壓井將井壓力降低后進行作業。高密度壓井液壓井不僅成本高、時間長，而且會堵塞地下油(氣)水通道，對氣井產層產生污染，影響復產后的產氣量。而采用帶壓作業工藝，則可很好解決這一技術難題。目前，帶壓作業技術和裝備在北美發展已非常成熟，輔助式和獨立式設備及其配套工具序列齊全，最高舉升力可達2700kN，最高下壓力可達1150kN，液缸行程多為3m左右，最高作業井壓力可達140MPa。國內帶壓作業的研究起步較晚，并且由于市場的需求及技術瓶頸等限制，大多數為輔助式和舉升能力較低的油水井用的是獨立式帶壓作業機。本公司研發的BYJ90/70-DQ2-QJ1獨立式氣井帶壓作壓業機主要應用在氣井的帶壓修井作業上，并且舉升力可達900kN，最高作業井力可達70MPa，可取代國外同等級設備在國內使用。

1 基本結構

BYJ90/70-DQ2-QJ1獨立式氣井帶壓作業機屬于輕型的液壓控制獨立式帶壓作業裝置，包括舉升機部分、動力部分，具體結構見圖1的結構簡圖。

動力部分由液壓站集裝箱提供，舉升機部分包括管柱密封系統、液缸、卡瓦系統、平衡卸壓系統、工作平臺以及地面扶梯、逃生滑道、油管坡道等附屬部件。

液控系統包括液壓泵、閥組、司鉆控制臺、遠程控制臺、液壓油箱、蓄能器、控制管線、接頭及過濾系統。

管柱密封系統是氣井帶壓作業裝置的關鍵設備之一，其作用是在整個作業過程中始終控制油套管環形空間的壓力，防止井噴，保證作業的安全順利進行。

1.1 工作原理

舉升系統是氣井帶壓作業裝置的主要設備。主要負責提供帶壓作業過程中所需的克服井壓對管柱的上頂力。本系統液缸采用單級雙作用液缸，兩端都有防止沖擊的減震裝置，保證換向過程中的穩定。四個液缸的活塞桿與舉升橫梁板連接成一體，保證了液缸與防噴串及井口的同心度要求。

圖1

舉升橫梁是氣井帶壓作業裝置的主要設備，其作用是連接液缸和游動卡瓦，并傳遞和承受液缸和卡瓦的作用力。舉升橫梁分別與液缸的活塞桿及上橫梁板和四立柱相連。在作業過程中液缸帶動舉升橫梁上升或下降，帶動游動卡瓦一起運動，下壓管柱，完成帶壓作業。

平衡卸壓系統是氣井帶壓作業裝置的關鍵設備。其作用是平衡井口防噴器開關時閘板或膠芯上下的壓力，防止帶壓開啟閘板和膠芯，提高防噴器膠件的使用壽命。

卡瓦系統是氣井帶壓作業裝置的關鍵設備。該設備采用兩臺卡瓦：固定卡瓦、游動卡瓦。

游動卡瓦安裝在舉升橫梁的上端，在液缸的作用下隨上橫梁一起上下運動，帶動油管上升或下降；固定卡瓦與環型防噴器的下法蘭相連接，在液缸的空行程時卡緊管柱，防止管柱掉入井內或飛出，保證整個作業過程安全可靠。

1.2 技術特點

BYJ90/70-DQ2-QJ1獨立式氣井帶壓作業機防噴系統的卡瓦是氣井帶壓作業裝置的關鍵部件，采用了專利技術設計制造。具備以下特點：

（1）卡瓦采用內斜面式卡緊機構，具有自鎖夾緊功能。牙板受壓均，卡緊可靠。

（2）卡瓦同步夾緊、同步松開管柱，動作準確。

（3）卡瓦的運動采用雙液缸驅動。

（4）浮動立柱結構適應油管的微量偏移，自行補償對中。

防噴系統在氣井帶壓作業的施工過程中能夠有效實施井控。它控井能力達到70MPa。最大通過能力為7 1/16″。

防噴系統的關鍵是合理組合環形防噴器、單閘板防噴器、控制壓力平衡四通的封井作業的程序，使受控管柱與井下工具能夠順利通過與密封。

圖2 結構圖

2 獨立式氣井帶壓作業機舉升框架結構及力學分析

2.1 提升框架整體結構

獨立式氣井帶壓作業機提升框架整體結構如圖2所示，主要由游動卡瓦、舉升橫梁、舉升液壓缸、上橫梁、立柱組合、下橫梁板、過渡短接組成，力學分析取的是用來傳遞載荷和約束的游動卡瓦與舉升橫梁接觸部分，過渡短接與下橫梁接觸部分。

獨立式氣井帶壓作業機提升過程中，其工作原理為游動卡瓦卡緊，固定卡瓦松開，舉升液壓缸開始帶動舉升橫梁向上提升，提升載荷按照100t計算。載荷傳遞路徑為通過游動卡瓦→舉升橫梁→舉升液壓缸→上橫梁→立柱組合→下橫梁板→過渡短接→地面。

在此過程中，舉升橫梁承受彎曲和剪切載荷，上橫梁受彎曲載荷，不受剪切載荷，立柱受彎曲和壓縮載荷，下橫梁板受彎曲和剪切載荷。

整個過程主要有兩個關鍵位置，因此可以確定為兩個工況：

工況一：固定卡瓦松開，游動卡瓦卡緊且位于最下端；

工況二：固定卡瓦松開，游動卡瓦卡緊且位于最上端。

施加完載荷及約束如圖3所示。

2.2 有限元結果分析

舉升框架在100t載荷作用下，產生的整體放大190倍的變形趨勢如圖4所示。

從圖4中可以清楚的看出提升框架整體的變形趨勢，及各部分結構的作用。能夠看出上橫梁的變形最小，舉升橫梁和下橫梁的變形最大。舉升橫梁向下凹彎曲，下橫梁上凸彎曲，立柱向外彎曲，液壓缸桿向內彎曲。

舉升橫梁在100t載荷作用下，從圖5中可看出最大剪切應力為70MPa，最大變形為2.3mm，圖中藍色顯示，最大應力為130MPa，位于螺紋孔邊緣以及與液壓缸桿連接處。

圖3 三維幾何模型載荷及約束

從圖6中可看出上橫梁產生的主要是由舉升橫彎曲經由舉升缸而引起的彎曲變形，最大相對變形值約為0.08mm。上橫梁產生的最大應力為20MPa，主要是舉升缸與上橫梁連接處的壓應力。

從圖7中可看出下橫梁板的最大變形為1.01mm，主要是彎曲變形，最大應力為100MPa，主要是壓應力，最大剪切應力為50MPa。

從圖8中可看出立柱產生的最大變形為1.15mm，主要是彎曲變形，，產生的最大應力為90MPa，主要是彎曲壓應力。

從分析的結果看，舉升橫梁、立柱及上、下橫梁結構能夠滿足100t載荷的舉升工況要求。

圖4 整體應力分布（放大190倍）

圖5 舉升橫梁受力及變形分析（放大190倍）

圖6 上橫梁受力及變形分析（放大500倍）

圖7 下橫梁受力及變形分析（放大190倍）

圖8 立柱受力及變形分析（放大110倍）

3 結語

（1）該設備采用兩臺卡瓦，固定卡瓦和游動卡瓦，卡瓦采用內斜面式卡緊機構，具有自鎖夾緊功能。

（2）防噴系統合理組合環形防噴器、單閘板防噴器、控制壓力平衡四通的封井作業的程序，使受控管柱與井下工具能夠順利通過與密封。

（3）BYJ90/70-DQ2-QJ1獨立式氣井帶壓作壓業機主要應用在氣井的帶壓修井作業上，并且舉升力可達900kN，最高作業井力可達70MPa，可取代國外同等級設備在國內使用。